La inositol oxigenasa , también conocida comúnmente como mioinositol oxigenasa (MIOX), es una enzima di- hierro no hemo que oxida el mioinositol a ácido glucurónico . [1] La enzima emplea una transferencia única de cuatro electrones en sus sitios de coordinación Fe(II)/Fe(III) y la reacción procede a través de la unión directa del mioinositol seguida del ataque del centro de hierro por oxígeno diatómico. Esta enzima es parte de la única vía conocida para el catabolismo del inositol en humanos [ 2] y se expresa principalmente en los riñones. [3] [4] La investigación médica reciente con respecto a MIOX se ha centrado en comprender su papel en enfermedades metabólicas y renales como la diabetes, la obesidad y la lesión renal aguda . Los esfuerzos de ingeniería enfocados industrialmente se centran en mejorar la actividad de MIOX para producir ácido glucárico en huéspedes heterólogos.
La mio -inositol oxigenasa es una proteína monomérica de 33 kDa tanto en solución como en cristal. [5] Esta enzima posee un par atómico Fe(II)/Fe(III) en el sitio catalítico activo que permite su mecanismo único de transferencia de cuatro electrones. Estudios recientes de cristalización han dilucidado las estructuras de la MIOX de ratón [5] en 2006, seguida por la MIOX humana [6] en 2008.
La estructura general de la MIOX de ratón es principalmente helicoidal con cinco hélices alfa que forman el núcleo de la proteína. [5] Al igual que otras oxigenasas de di-hierro, los centros de coordinación de hierro están enterrados profundamente dentro de la proteína presumiblemente para proteger a la célula del superóxido y los intermediarios de reacción radical que se forman. [7] Los dos centros de hierro están coordinados por varios aminoácidos y moléculas de agua como se muestra en el complejo con el sustrato de mio -inositol. La estructura de la MIOX humana se superpone estrechamente a la estructura de la MIOX de ratón, compartiendo un 86% de identidad de secuencia sobre la alineación estructural pero con algunas diferencias en los residuos que rodean el sitio activo. [6] La enzima humana se caracteriza por ocho hélices alfa y una pequeña lámina beta de dos hebras antiparalelas . [6]
El plegamiento de la proteína MIOX difiere del de otras oxigenasas de di-hierro no hemo, incluidas la ribonucleótido reductasa y la metano monooxigenasa soluble . [8] En cambio, MIOX se parece mucho a las proteínas de la superfamilia del dominio HD en función de su estrategia de unión a metales altamente conservada y la presencia de los cuatro ligandos His en el centro de hierro. [5]
MIOX puede aceptar D- mioinositol así como el isómero quiro menos abundante de inositol como sustratos. [9] Una serie de experimentos de cristalización, espectroscopía y teoría funcional de la densidad han revelado un supuesto mecanismo (mostrado a la derecha) para la oxidación de mioinositol . [ 10] [11] [12] La espectroscopía ENDOR se utilizó para determinar que el sustrato se une directamente al centro de dihierro Fe(II)/Fe(III) de MIOX probablemente a través del átomo O1 de mioinositol . [7] En el MIOX de ratón, se demostró que este proceso de unión depende de los residuos de aminoácidos proximales, ya que los mutantes de alanina D85A y K127A no pudieron renovar el sustrato. [5] Este paso de unión coloca al mioinositol antes de los pasos catalíticos que implican el ataque de un centro de hierro por oxígeno diatómico seguido de la abstracción de un átomo de hidrógeno de mioinositol .
Se forma una especie de superóxido Fe(III)/Fe(III) a medida que el oxígeno diatómico desplaza al agua como ligando de coordinación en uno de los átomos de Fe. A continuación, se extrae el átomo de hidrógeno del C1 del mioinositol para generar un radical que puede ser atacado por un radical de oxígeno. La liberación del ácido D-glucurónico se logra en el cuarto paso.
El mioinositol se puede ingerir a partir de frutas y verduras y transportarse activamente a las células o, en cambio, sintetizarse directamente a partir de la glucosa. [13] En el riñón, MIOX convierte el mioinositol en ácido glucurónico , que luego puede ingresar a la vía del glucuronato-xilulosa para su conversión a xilulosa-5-fosfato . [13] Este producto puede luego ingresar fácilmente a la vía de la pentosa fosfato . Por lo tanto, MIOX permite la conversión y el catabolismo del inositol para generar NADPH y otros azúcares pentosos.
El mioinositol es un componente de los fosfatos de inositol y fosfoinosítidos que sirven como mensajeros secundarios en muchos procesos celulares, incluida la acción de la insulina. Debido a su expresión exclusiva en el riñón, la investigación se ha centrado en comprender el papel potencial de los niveles de mioinositol y la actividad de MIOX en enfermedades metabólicas como la diabetes mellitus y la obesidad . El agotamiento de MIOX y la acumulación de polioles, como el inositol y el xilitol , se han citado como factores que contribuyen a las complicaciones asociadas con la diabetes . [14] Además, un estudio reciente ha demostrado que MIOX se regula positivamente en el estado diabético con su transcripción fuertemente regulada por la osmolaridad , los niveles de glucosa y el estrés oxidativo. [15] Esta regulación positiva está asociada con la formación de especies oxidativas reactivas que conducen a una lesión intersticial en el riñón. [15]
También existe interés en evaluar la expresión de MIOX como un posible biomarcador de lesión renal aguda . Se ha demostrado que la expresión de MIOX aumenta en el suero de animales y en el plasma de pacientes gravemente enfermos dentro de las 24 horas posteriores a la lesión renal aguda específicamente. [16] Un inmunoensayo de la expresión de MIOX puede predecir potencialmente estas lesiones potencialmente mortales antes que el diagnóstico actual: la detección de creatinina plasmática .
La enzima MIOX ha sido objeto de intensos esfuerzos de ingeniería metabólica para producir ácido glucárico a través de vías biosintéticas. En 2004, el Departamento de Energía de los EE. UU . publicó una lista de los principales productos químicos de valor agregado de la biomasa, que incluía el ácido glucárico, el producto directo de la oxidación del ácido glucurónico. La primera producción biosintética de ácido glucárico se logró en 2009 con el uso de la enzima uronato deshidrogenasa (UDH). [17] Desde entonces, la enzima MIOX ha sido diseñada para mejorar la producción de ácido glucárico a través de numerosas estrategias, incluida la adición de una etiqueta SUMO N-terminal, la evolución dirigida [18] y también el uso de andamios sintéticos modulares para aumentar su concentración local efectiva.
